Вердуин Я. и др. Справочник по радиоконтролю

Подождите немного. Документ загружается.

- 109 -

Глава 3

Современные активные антенны, удовлетворяющие приведенным выше требованиям, предлагаются

несколькими изготовителями. В условиях высоких уровней местной напряженности поля, что

представляет собой обычное явление на средних волнах, а также в диапазонах ЧМ радиовещания и

телевидения, даже вышеуказанные требования для активной антенны недостаточны и необходимо

перейти на использование пассивных антенн, таких как несимметричный вибратор высотой 12 м,

показанный на рис. 3-2.

Spec-032

10 280

Высота

∅

30,00"

План

овень земли

тра

атель 24,38 м

Отражатель 12,18 м

РИСУНОК 3-2

Типичная пассивная приемная антенна для диапазонов ОНЧ/НЧ/СЧ/ВЧ

на частотах 9 кГц–30 МГц

Одним из примеров компактной активной антенны, применяемой для целей как радиоконтроля, так

и пеленгации, является пара небольших активных магнитных рамок с перекрестной конфигурацией

расположения; вид сверху и снизу на одну из пар этих рамок показан на рис. 3-3. Данная антенна

для обеспечения охвата диапазона частот от 300 кГц до 30 МГц может иметь весьма небольшие

размеры (коробка со сторонами примерно 0,3 × 0,3 м и высотой 0,1 м), но при этом ее

чувствительность и точность азимутальной радиопеленгации не хуже, чем у антенн c гораздо

большими габаритами (таких как антенная решетка из гибких штыревых антенн высотой 3 м).

Каждая рамка состоит из многовитковой катушки, намотанной на ферритовый стержень с высокой

магнитной проницаемостью. Эта катушка защищена с помощью электростатического экрана, а ее

выход подключен к трансформатору – все это снижает чувствительность антенны к местным

возмущениям электромагнитного поля и, следовательно, улучшает точность радиопеленгации.

Трансформатор обеспечивает согласование полных сопротивлений, ослабление синфазного сигнала

и согласование с симметричным входом и несимметричным выходом.

Активная вертикально поляризованная антенна, охватывающая все частоты диапазонов

ОНЧ/НЧ/СЧ/ВЧ (50 кГц–30 МГц), показана на рис. 3-4.

- 110 -

Глава 3

РИСУНОК 3-3

Компактная активная антенна

РИСУНОК 3-4

Активная стержневая антенна

3.2.3.2 Общие соображения по ВЧ антеннам

Радиоволны диапазона ВЧ отражаются от слоев ионосферы, расположенных над землей на высотах

от 100 до 300 км. Антенна должна направлять максимум излучения в сторону отражающих слоев

ионосферы под желаемыми углами места и азимута, которые обеспечат охват требуемых

местоположений. Например, если передатчик находится на расстоянии 350 км от станции контроля,

то максимум излучения от антенны должен быть под углом места почти 60° для отражения от слоя

ионосферы высотой 300 км. В этом случае траектория луча от станции контроля до ионосферы и

далее к передатчику образует примерно равносторонний треугольник с учетом прямой линии между

станцией контроля и передатчиком; эта простая траектория с одним отражением называется

односкачковой трассой. По мере увеличения расстояния, угол места или угол закрытия горизонта

для односкачковой трассы уменьшается; угол закрытия горизонта односкачковой траектории может

уменьшаться до 3° для самых протяженных трасс. Три градуса – это, как правило, минимальный

угол закрытия горизонта, причем данное ограничение обусловлено наличием близлежащих холмов,

других препятствий, а также завалом диаграммы направленного действия антенны при очень малых

углах места. Вообще говоря, трасса в направлении приемника может состоять из нескольких

скачков; например, двухскачковая трасса наблюдается в случаях, когда посредине между местом

расположения передатчика и станцией контроля имеется отражение от земли, а также происходят

два отражения от слоя ионосферы. Один или два скачка могут существовать по отдельности или

одновременно. Когда две или несколько трасс наблюдаются в одно и то же время, это явление

называется многолучевым распространением.

Вследствие довольно значительных уровней индустриальных и атмосферных радиошумов на ВЧ

обычно нет необходимости применения высокоэффективных приемных антенн. Например, кто-то,

возможно, захочет использовать вертикально-поляризованную антенну по причинам зоны

покрытия, обеспечиваемой ее диаграммой направленности, и согласиться с несколькими

децибелами потерь антенны, поскольку потери этой антенны обычно не оказывают существенного

влияния на чувствительность приемной системы.

- 111 -

Глава 3

Для целей приема гораздо важнее использовать антенны с высоким коэффициентом направленного

действия, так чтобы уровень принимаемого антенной сигнала увеличился по отношению к шуму.

Допуская, что со всех направлений принимается одинаковый уровень плотности мощности шума,

что, как правило, и имеет место, общая мощность шума, принимаемая антенной, независима от

коэффициента направленного действия антенны. Таким образом, отношение принимаемого сигнала

к шуму возрастает за счет увеличения направленности приемной антенны.

Для обеспечения требуемого диапазона покрытия от коротких расстояний до длинных данная

станция контроля может использовать несколько антенн. Выбор антенн может включать в себя

всенаправленную антенну ближнего действия с высоким углом закрытия горизонта в сочетании с

несколькими направленными антеннами для работы на расстояниях от средних до дальних. Кроме

того, станция контроля может иметь ограниченный участок земли и может быть вынуждена

использовать небольшое количество антенн одного типа, обеспечивающих наилучшее

обслуживание для любой дальности. В данном разделе представлено несколько типов антенн

наземных станций, которые могут быть выбраны для использования на площадках контроля. Для

обеспечения высокой степени развязки между ВЧ передатчиками и ВЧ приемниками и для

достижения на приемной площадке условий с низким уровнем радиошумов, любой мощный ВЧ

передатчик (> 1 кВт) должен отстоять от станции контроля на расстоянии, по меньшей мере,

5–10 км. Антенны для ВЧ диапазона должны охватывать полосу частот от 2 до 30 МГц.

3.2.3.3 Типы ВЧ антенн

Горизонтальный широкополосный диполь (Пример показан на рис. 3-5)

Наилучшие типы антенн для ВЧ покрытия на расстояния от коротких до средних – это антенны с

горизонтальной или круговой поляризацией, имеющие максимум излучения вблизи зенита. Земная

волна, излучаемая ВЧ антенной с вертикальной поляризацией, ослабляется из-за потерь в земле и

обычно не принимается на расстояниях более чем около 100 км над землей и около 300 км над

морской водой. Все антенны с вертикальной поляризацией имеют наверху нулевой уровень

диаграммы направленности и не подходят для проведения контроля пространственных волн в

диапазоне ВЧ на очень коротких расстояниях. Горизонтальная широкополосная дипольная антенна

служит примером антенны, которая может обеспечить охват на коротких расстояниях в полосе частот

от 3 до 12 МГц при почти всенаправленной диаграмме излучения. Эти антенны имеют сравнительно

небольшие размеры; примером такого горизонтально-поляризованного диполя является антенна,

смонтированная на двух мачтах высотой 22 м и требующая участка земли примерно 66 × 38 м; эта

антенна хорошо подходит для использования на приемной или передающей площадке, ограниченной

существующими земельными владениями. Усиление этой антенны обычно составляет 5 дБи и более.

РИСУНОК 3-5

Широкополосный горизонтальный диполь – дальность действия

от коротких до средних расстояний

- 112 -

Глава 3

Всенаправленная логопериодическая антенна с круговой поляризацией (Пример показан на

рис. 3-6)

Типом антенны, обеспечивающим всенаправленное покрытие во всем диапазоне ВЧ, является

логопериодическая антенна с круговой поляризацией (CPLPA). Эта антенна имеет преимущество,

заключающееся в том, что одна и та же структура антенны позволяет обеспечить связь на

расстояниях от коротких до средних. На более низких частотах антенна излучает при более высоких

углах места для покрытия на коротких расстояниях, а на более высоких частотах угол закрытия

горизонта снижается для приема с дальних расстояний. Данная антенна имеет одномачтовую опору

и два ряда ортогональных логопериодических дипольных решеток, причем каждый диполь является

инвертированным V-образным диполем с центральным возбуждением, соединенным с фидерами,

поддерживаемыми по сторонам мачты. Мачта имеет высоту 28 м и требует квадратного участка

земли со стороной в 94 м. Усиление антенны 5 дБи.

УГЛОМЕСТНЫЕ И АЗИМУТАЛЬНЫЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ (Азимутальная

диаграмма направленности при угле места максимума луча) усиление в дБи.

Широкополосная монопольная всенаправленная антенна с вертикальной поляризацией

РИСУНОК 3-6

Логопериодическая всенаправленная антенна с круговой поляризацией

(дальность действия от коротких до средних расстояний)

2 МГц

8 МГц

20 МГц 30 МГц

2 МГц

8 МГц

20 МГц 30 МГц

- 113 -

Глава 3

Эта антенна является широкополосной всенаправленной антенной, которая может использоваться

для приема земной волны на коротких расстояниях и пространственной волны на расстояниях от

средних до дальних. Типичная вертикально-поляризованная широкополосная несимметричная

вибраторная антенна показана на рис. 3-7. Размеры данной антенны для полосы 3–30 МГц

составляют 25 м по высоте и 52 м в диаметре. Вертикально-поляризованная широкополосная

несимметричная вибраторная антенна и антенна CPLPA имеют на низких частотах и при небольших

углах закрытия горизонта почти равное усиление; однако, у CPLPA лучшие показатели на более

высоких частотах.

РИСУНОК 3-7

Широкополосная вертикальная всенаправленная антенна – расстояния

от средних до дальних

Рамочные антенные решетки

Неэффективные антенны с размерами, малыми по сравнению с длиной волны, такие как рамочные

антенны, могут успешно использоваться в самых разнообразных применениях, связанных с

приемом в диапазоне ВЧ. Шум, создаваемый из-за неэффективности работы антенны, оказывает на

отношение сигнал/шум то же влияние, что и другие источники шума. Когда внешний шум

превосходит по уровню шум из-за неэффективности антенны (и внутренней электронной схемы,

если имеется), то говорят, что антенна “ограничена внешним шумом”. Внутренний шум антенны,

“ограниченной внешним шумом”, имеет в относительном плане несущественное значение,

поскольку отношение сигнал/шум определяется источником более сильного внешнего шума. Когда

внешний шум сравнительно велик, небольшие приемные антенны работают так же, как и

полноразмерные эффективные антенны.

Базовая рамка представляет собой большую алюминиевую трубку с малой индуктивностью.

Питание на нее подается в верхней средней точке через широкополосную пассивную согласующую

схему. Одним из преимуществ рамок по сравнению с диполями является их более низкое входное

полное сопротивление. Находящиеся поблизости проводящие объекты, такие как деревья, здания, а

также снежный покров, оказывают на характеристики рамки относительно слабое влияние. Кроме

того, поскольку сопротивление излучения антенн с размерами, малыми по сравнению с длиной

волны, имеет небольшую величину, их взаимное влияние обычно незначительно, что позволяет

строить из них конфигурации в виде различных антенных решеток, характеристики которых можно

приспособить к конкретным требованиям приема.

- 114 -

Глава 3

Азимутальная диаграмма направленности одиночной рамки, представляющая собой в

горизонтальной плоскости фигуру в виде “восьмерки”, становится еще более всенаправленной при

более высоких углах прихода и практически не зависит от азимута при углах прихода более 50°.

Сигналы от множества рамок могут складываться по фазе или “формировать лучи”.

Результирующая диаграмма антенны – направленная, пеленг которой соответствует одному из

направлений антенной решетки. Диаграмма направленности антенны имеет максимум усиления при

определенном угле ниже зенита. Увеличение количества рамочных элементов приводит к

повышению коэффициента усиления и направленных свойств антенны. Хотя такая диаграмма

направленности антенны полезна для целей контроля, если решетка из рамочных элементов

используется при проведении радиопеленгации, эти рамочные элементы не должны объединяться,

для того чтобы можно было по отдельности измерить характеристики каждого элемента.

Формирование луча осуществляется посредством подведения питающих кабелей от каждого

элемента в решетке к блоку задержки/суммирования или устройству формирования луча,

расположенному в физическом центре антенной решетки. В случае формирования ненаправленной

диаграммы сигналы от каждого элемента задерживаются при помощи коаксиальных кабелей

соответствующей длины или линий задержки, а затем складываются в сумматоре. При

формировании двухлучевой диаграммы направленности сигналы разделяются и подаются в два

отдельных ряда линий задержки, а затем складываются в двух отдельных сумматорах.

Несколько небольших антенных решеток часто объединяются в конфигурацию, имеющую форму

розетки. Одна из широко распространенных розеток состоит из трех двухлучевых ветвей,

расположенных с равными промежутками по азимуту, с общим центром. Каждая ветвь состоит из

восьми рамок. Такая конфигурация рамок из трех ветвей и 24 элементов может создавать шесть

лучей, отстоящих друг от друга по азимуту на 60°. Фотография антенной решетки диаметром 30 м с

четырьмя ветвями из рамок высотой 2 м показана на рис. 3-8; однако для охвата азимутального угла

в 360° достаточно иметь три ветви.

РИСУНОК 3-8

Розетка из четырех двухлучевых ветвей рамочной антенной решетки

3.2.4 Антенны для ОВЧ, УВЧ и СВЧ

Условия распространения радиоволн ОВЧ и УВЧ диапазонов обычно ограничивают прием

расстояниями, близкими к прямой видимости. Для увеличения зоны покрытия при приеме ОВЧ и

УВЧ антенны обычно размещаются на вершине мачты, расположенной вблизи здания станции

контроля. Таким способом сводятся к минимуму потери в коаксиальной линии, которые на этих

частотах могут оказаться высокими.

- 115 -

Глава 3

3.2.4.1 Типы ОВЧ и УВЧ всенаправленных антенн

Одной из антенн, хорошо подходящих для использования в диапазоне ОВЧ/УВЧ, является

широкополосная биконическая антенна, показанная в верхней части рис. 3-9а). Она обеспечивает

очень хороший всенаправленный охват в диапазоне изменения частот 150 : 1. Эта антенна может

получать питание вместе с девятиэлементной веерной антенной решеткой, показанной в нижней

части рис. 3-9а), для обеспечения охвата службой радиопеленгации.

Комбинация биконической антенны и девятиэлементного веера может использоваться для целей

контроля и радиопеленгации по всему диапазону ОВЧ/УВЧ для применений как фиксированной, так

и подвижной связи; однако, на фиксированных станциях для повышения чувствительности и

точности измерений может использоваться другая, более крупная по размерам антенна, состоящая

из пятиэлементной ОВЧ вертикальной многовибраторной антенны, показанной на рис. 3-10а).

На рис. 3-9b) и 3-10b) показаны другие антенны для использования в диапазоне ОВЧ/УВЧ.

Spec-039

(

= 1,3 м

0,7 )м

(

= 1,1 м

0,44 )м

РИСУНОК 3-9

Примеры элементов ОВЧ/УВЧ антенны (20–3000 МГц) (обтекатель снят)

Для получения оптимальных характеристик в применениях, требующих большого динамического

диапазона (хорошей чувствительности и малых искажений), эта антенна должна использовать

пассивные антенные элементы, за которыми размещаются активные РЧ переключатели и

предварительные усилители. Применение пассивных антенных элементов гарантирует, что антенна

будет свободна от паразитных сигналов, будет иметь желаемые диаграммы направленности и

характеристики усиление/фаза для обеспечения точности радиопеленгации и не будет создавать

искажений (интермодуляционных или нелинейных), что является общеизвестной проблемой в

антеннах с активными элементами.

- 116 -

Глава 3

Spec-0310

a) b)

РИСУНОК 3-10

Примеры стационарной ОВЧ/УВЧ (20–3000 МГц) антенной решетки

Однако антенны с пассивными элементами обладают низкой чувствительностью, если только это не

антенны с большими размерами и не построены для работы в нескольких диапазонах, что позволяет

оптимизировать характеристики антенны в сравнительно узких полосах частот. Это может привести

к усложнению структуры антенны и к трудностям ее установки и обслуживания. Предпочтительнее,

если за пассивными элементами следуют РЧ предусилители с очень большим динамическим

диапазоном и схема РЧ коммутации, в этом случае антенна может охватывать широкий диапазон

частот и иметь хорошую чувствительность. Такой вариант возможен, если и пассивные элементы

антенны и активные РЧ усилители работают при одном и том же полном сопротивлении; при этом

возможно создавать предусилители и коммутаторы с очень большим динамическим диапазоном и

широкополосными характеристиками.

Схемы РЧ коммутации и предусиления с очень большим динамическим диапазоном должны

физически размещаться в антенне, в целях исключения необходимости прокладки согласованного

по фазе РЧ кабеля между антенной и остальной системой при использовании для радиопеленгации,

а также в целях обеспечения линейного усиления вблизи источника сигнала для преодоления помех

в кабеле, которые иначе приведут к увеличению коэффициента шума системы и в связи с этим

- 117 -

Глава 3

снизят чувствительность. Используемый в антенне РЧ предусилитель должен иметь РЧ рабочие

характеристики, существенно превышающие характеристики приемника, к которому подключается

антенна, поскольку РЧ предусилитель должен работать во всем спектре ОВЧ/УВЧ, хотя в

приемнике обычно имеются фильтры преселектора, ограничивающие количество РЧ энергии

сигнала, которую должны обрабатывать РЧ входные каскады приемника.

3.2.4.2 Типы направленных ОВЧ и УВЧ антенн

В диапазонах ОВЧ и УВЧ потребность в антеннах, имеющих низкий коэффициент стоячей волны по

напряжению (КСВН) и равномерные диаграммы направленности, привела к разработке антенных

решеток, состоящих из ряда элементов, характеристики которых следуют логарифму частоты

(логопериодических). Эти антенны можно выполнить таким образом, чтобы получить умеренное

усиление (обычно 10 дБи) при хорошей направленности (типичный коэффициент направленности

14 дБ) и диаграмму, которая остается постоянной в диапазоне частот до примерно 10 : 1. Диаграмма

излучения обычно широкая, приближающаяся на большинстве частот к аналогичной диаграмме

дипольной антенны с рефлектором и директором. Постоянные усиление, диаграмма и

характеристики импеданса подходят для объединения антенн в широкополосную решетку в целях

использования в тех случаях, когда требуются остронаправленные антенны. В частности,

логопериодическая антенна служит хорошим облучателем для параболических рефлекторов на

УВЧ, где желательно иметь очень узкие лучи.

Эта антенна обычно сооружается из ряда излучающих элементов, устанавливаемых вдоль

центрального фидера, через который к ним подводится питание. Отдельные элементы в виде

дипольной пары проектируются так, чтобы они имели необходимые для антенны характеристики в

узкой части рабочей полосы частот и, по возможности, сохраняли эти характеристики постоянными

в своей активной полосе частот. Интервалы между отдельными элементами постоянны в

соответствии с логарифмом частоты. Число интервалов зависит от требуемого усиления и КСВН

всего антенного устройства. Перекрытие характеристик отдельных элементов антенны образует

активную зону, состоящую из нескольких соседних элементов, которая при изменении частоты

плавно перемещается вдоль структуры. Коэффициент стоячей волны по напряжению антенны имеет

прямую зависимость от числа элементов в ее активной зоне на конкретной частоте и от к.п.д.

передачи энергии электромагнитной волны в фидер.

Ряд изготовителей предлагает полные логопериодические антенны как для широкополосного

применения, так и для узкополосных специальных служб. Подробная информация о конструкциях

антенн содержится в публикациях, перечисленных в разделе “Литература” и в других источниках.

Высокоэффективная наилучшая антенная система только для целей контроля, включая антенну с

горизонтальной и вертикальной поляризацией, всенаправленную и направленную для диапазона

10 кГц–5 ГГц показана на рис. 3-11. Всенаправленные, а также направленные антенны

устанавливаются на одной платформе, регулируемой по положению. Активная и пассивная

всенаправленные антенны используются в диапазоне частот 10 кГц–3 ГГц. Логопериодические и

другие направленные антенны перекрывают диапазон 20 МГц–5 ГГц. Различные антенны

выбираются дистанционно управляемым РЧ переключателем. РЧ сигнал подается через поворотное

устройство посредством вращающегося соединения.

Существуют и другие виды полезных индивидуальных антенн для контроля. На рис. 3-12 показана

активная широкополосная антенная система с использованием в качестве базовых элементов

активных диполей, обладающая широким динамическим диапазоном и высокой чувствительностью.

Вертикальная антенна представляет собой активный диполь с центральным питанием для диапазона

частот 20–1300 МГц, имеющий длину всего 1,2 м и небольшой вес, равный 3 кг. Горизонтальная

антенна перекрывает диапазон 20–500 МГц и имеет конструкцию турникетного типа, состоящую из

двух активных широкополосных диполей, соединенных через гибридный мост для обеспечения

- 118 -

Глава 3

почти всенаправленной диаграммы излучения. Эти небольшие активные антенны весьма подходят

для широкополосных систем контроля, включающих распределение сигнала на многие приемники,

поскольку рентабельность распределительной системы намного повышается при использовании

только одной антенны на весь диапазон частот.

РИСУНОК 3-11

Пример высокоэффективной контрольной антенной системы

(Пеленгаторные антенны расположены на отдельной мачте)

Вертикальная

80–1 600 МГц

Горизонтальная

20–500 МГц

Горизонтальная

500–1 300 МГц

Горизонтальная

и вертикальная 1,3–3,0 ГГц

Вертикальная

10 кГц–80 МГц

Горизонтальная и

вертикальная 20–80 МГц

Горизонтальная

80–1 300 МГц

Вертикальная

80–1 300 МГц

Горизонтальная

и вертикальная 1,3–5,0 ГГц